Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays

A. Albert (1, 2) , S. Alves , M. André , M. Anghinolfi , M. Ardid , S. Ardid , J.-J. Aubert (3) , J. Aublin (4) , B. Baret (4) , S. Basa (5) , B. Belhorma , M. Bendahman (4) , V. Bertin (3) , S. Biagi , M. Bissinger , J. Boumaaza , M. Bouta , M.C. Bouwhuis , H. Brânzaş , R. Bruijn , J. Brunner (3) , J. Busto (3) , B. Caiffi , D. Calvo , A. Capone , L. Caramete , J. Carr (3) , V. Carretero , S. Celli , M. Chabab , T.N. Chau (4) , R. Cherkaoui El Moursli , T. Chiarusi , M. Circella , A. Coleiro (4) , R. Coniglione , P. Coyle (3) , A. Creusot (4) , A.F. Díaz , B. O'Fearraigh , Jr.A.A. Alves , K. Andeen , O. Botner , C. Chen , A. Diaz , C. Distefano , I. Di Palma , A. Domi , C. Donzaud (4, 6) , D. Dornic (3) , D. Drouhin (1, 2) , T. Eberl , T. van Eeden , D. van Eijk , N. El Khayati , A. Enzenhöfer (3) , P. Fermani , G. Ferrara , F. Filippini , L.A. Fusco (3) , Y. Gatelet (4) , P. Gay (7, 4) , H. Glotin (8) , R. Gozzini , R. Gracia Ruiz , K. Graf , C. Guidi , S. Hallmann , H. van Haren , A.J. Heijboer , Y. Hello (9) , J.J. Hernández-Rey , J. Hößl , J. Hofestädt , F. Huang (3) , G. Illuminati (4) , C.W. James , B. Jisse-Jung , M. de Jong , P. de Jong , M. Kadler , O. Kalekin , U. Katz , N.R. Khan-Chowdhury , A. Kouchner (4) , I. Kreykenbohm , V. Kulikovskiy , R. Lahmann , R. Le Breton (4) , S. Lestum (3) , D. Lefèvre (10) , E. Leonora , G. Levi , D. Lopez-Coto , S. Loucatos (11, 4) , L. Maderer (4) , J. Manczak , M. Marcelin (5) , A. Margiotta , A. Marinelli , J.A. Martínez-Mora , B. Martino (3) , K. Melis , P. Migliozzi , A. Moussa , R. Muller , L. Nauta , S. Navas , E. Nezri (5) , A. Păun , G.E. Păvălaş , C. Pellegrino , M. Perrin-Terrin (3) , V. Pestel , P. Piattelli , C. Pieterse , C. Poirè , V. Popa , T. Pradier (1) , N. Randazzo , D. Real , S. Reck , G. Riccobene , A. Romanov , A. Sánchez-Losa , F. Salesa Greus , D.F.E. Samtleben , M. Sanguineti , P. Sapienza , J. Schnabel , J. Schumann , F. Schüssler (11) , J. Seneca , M. Spurio , Th. Stolarczyk (11) , M. Taiuti , Y. Tayalati , S.J. Tingay , B. Vallage (11, 4) , V. van Elewyck (4, 12) , F. Versari (4) , S. Viola , D. Vivolo , J. Wilms , S. Zavatarelli , A. Zegarelli , J.D. Zornoza , J. Zúñiga , R. Abbasi , M. Ackermann , J. Adams , J.A. Aguilar , M. Ahlers , M. Ahrens , J.M. Alameddine , C. Alispach , A.A. Alves , N.M. Amin , T. Anderson , G. Anton , C. Argüelles , Y. Ashida , S. Axani , X. Bai , V.A. Balagopal , A. Barbano , S.W. Barwick , B. Bastian , V. Basu , S. Baur , R. Bay , J.J. Beatty , K.-H. Becker , J. Becker Tjus , C. Bellenghi , S. Benzvi , D. Berley , E. Bernardini , D.Z. Besson , G. Binder , D. Bindig , E. Blaufuss , S. Blot , M. Boddenberg , F. Bontempo , J. Borowka , S. Böser , J. Böttcher , E. Bourbeau , F. Bradascio , J. Braun , B. Brinson , S. Bron , J. Brostean-Kaiser , S. Browne , A. Burgman , R.T. Burley , R.S. Busse , M.A. Campana , E.G. Carnie-Bronca , Z. Chen , D. Chirkin , K. Choi , B.A. Clark , K. Clark , L. Classen , G.H. Collin , J.M. Conrad , P. Coppin , P. Correa , D.F. Cowen , R. Cross , C. Dappen , P. Dave , C. de Clercq , J.J. Delaunay , D. Delgado López , H. Dembinski , K. Deoskar , A. Desai , P. Desiati , K.D. de Vries , G. de Wasseige , M. de With , T. Deyoung , A. Diaz , J.C. Díaz-Vélez , M. Dittmer , H. Dujmovic , M. Dunkman , M.A. Duvernois , E. Dvorak , T. Ehrhardt , P. Eller , H. Erpenbeck , J. Evans , P.A. Evenson , K.L. Fan , A.R. Fazely , A. Fedynitch , N. Feigl , S. Fiedlschuster , A.T. Fienberg , K. Filimonov , C. Finley , L. Fischer , D. Fox , A. Franckowiak , E. Friedman , A. Fritz , P. Fürst , C. Glaser , C. Günther , C. Hill , A. Kappes , A. Karle , A. Kheirandish , C. Kopper , B. Oeyen , S. Sarkar , S. Sarkar (2) , K. Almeida Cheminant , A. Kääpä , J. Kemp , F. Pedreira , T.K. Gaisser , J. Gallagher , E. Ganster , A. Garcia , S. Garrappa , L. Gerhardt , A. Ghadimi , T. Glauch , T. Glüsenkamp , J.G. Gonzalez , S. Goswami , D. Grant , T. Grégoire , S. Griswold , G.C. Hill , P. Gutjahr , C. Haack , A. Hallgren , R. Halliday , L. Halve , F. Halzen , M. Ha Minh , K. Hanson , J. Hardin , A.A. Harnisch , A. Haungs , D. Hebecker , K. Helbing , F. Henningsen , E.C. Hettinger , S. Hickford , J. Hignight , K.D. Hoffman , R. Hoffmann , B. Hokanson-Fasig , K. Hoshina , M. Huber , T. Huber , K. Hultqvist , M. Hünnefeld , R. Hussain , K. Hymon , S. In , N. Iovine , A. Ishihara , M. Jansson , G.S. Japaridze , M. Jeong , M. Jin , B.J.P. Jones , D. Kang , W. Kang , X. Kang , D. Kappesser , L. Kardum , T. Karg , M. Karl , M. Kauer , M. Kellermann , J.L. Kelley , K. Kin , T. Kintscher , J. Kiryluk , S.R. Klein , R. Koirala , H. Kolanoski , T. Kontrimas , L. Köpke , S. Kopper , D.J. Koskinen , P. Koundal , M. Kovacevich , M. Kowalski , T. Kozynets , E. Kun , N. Kurahashi , N. Lad , C. Lagunas Gualda , J.L. Lanfranchi , M.J. Larson , F. Lauber , J.P. Lazar , J.W. Lee , K. Leonard , A. Leszczyńska , Y. Li , M. Lincetto , Q.R. Liu , M. Liubarska , E. Lohfink , C.J. Lozano Mariscal , F. Lucarelli , A. Ludwig , W. Luszczak , Y. Lyu , W.Y. Ma , J. Madsen , K.B.M. Mahn , Y. Makino , S. Mancina , I. Martinez-Soler , R. Maruyama , K. Mase , T. Mcelroy , F. Mcnally , J.V. Mead , K. Meagher , S. Mechbal , A. Medina , M. Meier , S. Meighen-Berger , J. Micallef , D. Mockler , T. Montaruli , R.W. Moore , R. Morse , M. Moulai , R. Naab , R. Nagai , U. Naumann , J. Necker , L.V. Nguyễn , H. Niederhausen , M.U. Nisa , S.C. Nowicki , A. Obertacke Pollmann , M. Oehler , A. Olivas , E. O'Sullivan , H. Pandya , D.V. Pankova , N. Park , G.K. Parker , E.N. Paudel , L. Paul , C. Pérez de los Heros , L. Peters , J. Peterson , S. Philippen , S. Pieper , M. Pittermann , A. Pizzuto , M. Plum , Y. Popovych , A. Porcelli , M. Prado Rodriguez , P.B. Price , B. Pries , G.T. Przybylski , C. Raab , J. Rack-Helleis , A. Raissi , M. Rameez , K. Rawlins , I.C. Rea , A. Rehman , P. Reichherzer , R. Reimann , G. Renzi , E. Resconi , S. Reusch , W. Rhode , M. Richman , B. Riedel , E.J. Roberts , S. Robertson , G. Roellinghoff , M. Rongen , C. Rott , T. Ruhe , D. Ryckbosch , D. Rysewyk Cantu , I. Safa , J. Saffer , S.E. Sanchez Herrera , A. Sandrock , M. Santander , K. Satalecka , M. Schaufel , S. Schindler , T. Schmidt , A. Schneider , J. Schneider , F.G. Schröder , L. Schumacher , G. Schwefer , S. Sclafani , D. Seckel , S. Seunarine , A. Sharma , S. Shefali , M. Silva , B. Skrzypek , B. Smithers , R. Snihur , J. Soedingrekso , D. Soldin , C. Spannfellner , G.M. Spiczak , C. Spiering , J. Stachurska , M. Stamatikos , T. Stanev , R. Stein , J. Stettner , A. Steuer , T. Stezelberger , T. Stürwald , T. Stuttard , G.W. Sullivan , I. Taboada , S. Ter-Antonyan , S. Tilav , F. Tischbein , K. Tollefson , C. Tönnis , S. Toscano , D. Tosi , A. Trettin , M. Tselengidou , C.F. Tung , A. Turcati , R. Turcotte , C.F. Turley , J.P. Twagirayezu , B. Ty , M.A. Unland Elorrieta , N. Valtonen-Mattila , J. Vandenbroucke , N. van Eijndhoven , D. Vannerom , J. van Santen , S. Verpoest , C. Walck , T.B. Watson , C. Weaver , P. Weigel , A. Weindl , M.J. Weiss , J. Weldert , C. Wendt , J. Werthebach , M. Weyrauch , N. Whitehorn , C.H. Wiebusch , D.R. Williams , M. Wolf , K. Woschnagg , G. Wrede , J. Wulff , X.W. Xu , J.P. Yanez , S. Yoshida , S. Yu , T. Yuan , Z. Zhang , P. Zhelnin , P. Abreu , M. Aglietta , J.M. Albury , I. Allekotte , A. Almela , J. Alvarez-Muñiz , R. Alves Batista , G.A. Anastasi , L. Anchordoqui , B. Andrada , S. Andringa , C. Aramo , P.R. Araújo Ferreira , E. Arnone , J.C. Arteaga Velázquez , H. Asorey , P. Assis , G. Avila , A.M. Badescu , A. Bakalova , A. Balaceanu , F. Barbato , J.A. Bellido , C. Berat (13) , M.E. Bertaina , X. Bertou , G. Bhatta , P.L. Biermann , V. Binet , K. Bismark , T. Bister , J. Biteau (14) , J. Blazek , C. Bleve (13) , J. Blümer , M. Boháčová , D. Boncioli , C. Bonifazi , L. Bonneau Arbeletche , N. Borodai , A.M. Botti , J. Brack , T. Bretz , P.G. Brichetto Orchera , F.L. Briechle , P. Buchholz , A. Bueno , S. Buitink , M. Buscemi , M. Büsken , K.S. Caballero-Mora , L. Caccianiga , F. Canfora , I. Caracas , R. Caruso , A. Castellina , F. Catalani , G. Cataldi , L. Cazon , M. Cerda , J.A. Chinellato , J. Chudoba , L. Chytka , R.W. Clay , A.C. Cobos Cerutti , R. Colalillo , A. Coleman , M.R. Coluccia , R. Conceição , A. Condorelli , G. Consolati , F. Contreras , F. Convenga , D. Correia dos Santos , C.E. Covault , S. Dasso , K. Daumiller , B.R. Dawson , J.A. Day , R.M. de Almeida , J. de Jesús , S.J. de Jong , J.R.T. de Mello Neto , I. de Mitri , J. de Oliveira , D. de Oliveira Franco , F. de Palma , V. de Souza , E. de Vito , A. del Popolo , M. del Río , O. Deligny (14) , L. Deval , A. Di Matteo , M. Dobre , C. Dobrigkeit , J.C. d'Olivo , L.M. Domingues Mendes , R.C. dos Anjos , M.T. Dova , J. Ebr , R. Engel , I. Epicoco , M. Erdmann , C.O. Escobar , A. Etchegoyen , H. Falcke , J. Farmer , G. Farrar , A.C. Fauth , N. Fazzini , F. Feldbusch , F. Fenu , B. Fick , J.M. Figueira , A. Filipčič , T. Fitoussi , T. Fodran , T. Fujii , A. Fuster , C. Galea , C. Galelli , B. García , A.L. Garcia Vegas , H. Gemmeke , F. Gesualdi , A. Gherghel-Lascu , P.L. Ghia (14) , U. Giaccari , M. Giammarchi , J. Glombitza , F. Gobbi , F. Gollan , G. Golup , M. Gómez Berisso , P.F. Gómez Vitale , J.P. Gongora , J.M. González , N. González , I. Goos , D. Góra , A. Gorgi , M. Gottowik , T.D. Grubb , F. Guarino , G.P. Guedes , E. Guido , S. Hahn , P. Hamal , M.R. Hampel , P. Hansen , D. Harari , V.M. Harvey , T. Hebbeker , D. Heck , C. Hojvat , J.R. Hörandel , P. Horvath , M. Hrabovský , T. Huege , A. Insolia , P.G. Isar , P. Janecek , J.A. Johnsen , J. Jurysek , K.H. Kampert , N. Karastathis , B. Keilhauer , A. Khakurdikar , V.V. Kizakke Covilakam , H.O. Klages , M. Kleifges , J. Kleinfeller , F. Knapp , N. Kunka , B.L. Lago , R.G. Lang , N. Langner , M.A. Leigui de Oliveira , V. Lenok , A. Letessier-Selvon (15) , I. Lhenry-Yvon (14) , D. Lo Presti , L. Lopes , R. López , L. Lu , Q. Luce , J.P. Lundquist , A. Machado Payeras , G. Mancarella , D. Mandat , B.C. Manning , J. Manshanden , P. Mantsch , S. Marafico (14) , F.M. Mariani , A.G. Mariazzi , I.C. Mariş , G. Marsella , D. Martello , S. Martinelli , O. Martínez Bravo , M. Mastrodicasa , H.J. Mathes , J. Matthews , G. Matthiae , E. Mayotte , S. Mayotte , P.O. Mazur , G. Medina-Tanco , D. Melo , A. Menshikov , S. Michal , M.I. Micheletti , L. Miramonti , S. Mollerach , F. Montanet (13) , L. Morejon , C. Morello , M. Mostafá , A.L. Müller , M.A. Muller , K. Mulrey , R. Mussa , M. Muzio , W.M. Namasaka , A. Nasr-Esfahani , L. Nellen , G. Nicora , M. Niculescu-Oglinzanu , M. Niechciol , D. Nitz , D. Nosek , V. Novotny , L. Nožka , A. Nucita , L.A. Núñez , C. Oliveira , M. Palatka , J. Pallotta , P. Papenbreer , G. Parente , A. Parra , J. Pawlowsky , M. Pech , J. Pȩkala , R. Pelayo , J. Peña-Rodriguez , E.E. Pereira Martins , J. Perez Armand , C. Pérez Bertolli , M. Perlin , L. Perrone , S. Petrera , C. Petrucci , T. Pierog , M. Pimenta , V. Pirronello , M. Platino , B. Pont , M. Pothast , P. Privitera , M. Prouza , A. Puyleart , S. Querchfeld , J. Rautenberg , D. Ravignani , M. Reininghaus , J. Ridky , F. Riehn , M. Risse , V. Rizi , W. Rodrigues de Carvalho , J. Rodriguez Rojo , M.J. Roncoroni , S. Rossoni , M. Roth , E. Roulet , A.C. Rovero , P. Ruehl , A. Saftoiu , M. Saharan , F. Salamida , H. Salazar , G. Salina , J.D. Sanabria Gomez , F. Sánchez , E.M. Santos , E. Santos , F. Sarazin , R. Sarmento , C. Sarmiento-Cano , R. Sato , P. Savina , C.M. Schäfer , V. Scherini , H. Schieler , M. Schimassek , M. Schimp , F. Schlüter , D. Schmidt , O. Scholten , H. Schoorlemmer , P. Schovánek , J. Schulte , T. Schulz , S.J. Sciutto , M. Scornavacche , A. Segreto , S. Sehgal , R.C. Shellard , G. Sigl , G. Silli , O. Sima , R. Smau , R. Šmída , P. Sommers , J.F. Soriano , R. Squartini , M. Stadelmaier , D. Stanca , S. Stanič , J. Stasielak , P. Stassi (13) , A. Streich , M. Suárez-Durán , T. Sudholz , T. Suomijärvi (14) , A.D. Supanitsky , Z. Szadkowski , A. Tapia , C. Taricco , C. Timmermans , O. Tkachenko , P. Tobiska , C.J. Todero Peixoto , B. Tomé , Z. Torrès (13) , A. Travaini , P. Travnicek , C. Trimarelli , M. Tueros , R. Ulrich , M. Unger , L. Vaclavek , M. Vacula , J.F. Valdés Galicia , L. Valore , E. Varela , A. Vásquez-Ramírez , D. Veberič , C. Ventura , I.D. Vergara Quispe , V. Verzi , J. Vicha , J. Vink , S. Vorobiov , H. Wahlberg , C. Watanabe , A.A. Watson , L. Wiencke , H. Wilczyński , M. Wirtz , D. Wittkowski , B. Wundheiler , A. Yushkov , O. Zapparrata , E. Zas , D. Zavrtanik , M. Zavrtanik , L. Zehrer , T. Abu-Zayyad , M. Allen , Y. Arai , R. Arimura , E. Barcikowski , J.W. Belz , D.R. Bergman , S.A. Blake , I. Buckland , R. Cady , B.G. Cheon , J. Chiba , M. Chikawa , K. Fujisue , K. Fujita , R. Fujiwara , M. Fukushima , R. Fukushima , G. Furlich , N. Globus , R. Gonzalez , W. Hanlon , M. Hayashi , N. Hayashida , H. He , K. Hibino , R. Higuchi , K. Honda , D. Ikeda , T. Inadomi , N. Inoue , T. Ishii , H. Ito , D. Ivanov , H. Iwakura , A. Iwasaki , H.M. Jeong , S. Jeong , C.C.H. Jui , K. Kadota , F. Kakimoto , O. Kalashev , K. Kasahara , S. Kasami , S. Kawakami , S. Kawana , K. Kawata , I. Kharuk , E. Kido , H.B. Kim , J.H. Kim , J.H. Kim (2) , S.W. Kim , Y. Kimura , S. Kishigami , Y. Kubota , S. Kurisu , V. Kuzmin , M. Kuznetsov , Y.J. Kwon , K.H. Lee , B. Lubsandorzhiev , K. Machida , H. Matsumiya , T. Matsuyama , J.N. Matthews , R. Mayta , M. Minamino , K. Mukai , I. Myers , S. Nagataki , K. Nakai , R. Nakamura , T. Nakamura , T. Nakamura (2) , Y. Nakamura , A. Nakazawa , E. Nishio , T. Nonaka , H. Oda , S. Ogio , M. Ohnishi , H. Ohoka , Y. Oku , T. Okuda , Y. Omura , M. Ono , R. Onogi , A. Oshima , S. Ozawa , I.H. Park , M. Potts , M.S. Pshirkov , J. Remington , D.C. Rodriguez , G.I. Rubtsov , D. Ryu , H. Sagawa , R. Sahara , Y. Saito , N. Sakaki , T. Sako , N. Sakurai , K. Sano , K. Sato , T. Seki , K. Sekino , P.D. Shah , Y. Shibasaki , F. Shibata , N. Shibata , T. Shibata , H. Shimodaira , B.K. Shin , H.S. Shin , D. Shinto , J.D. Smith , P. Sokolsky , N. Sone , B.T. Stokes , T.A. Stroman , Y. Takagi , Y. Takahashi , M. Takamura , M. Takeda , R. Takeishi , A. Taketa , M. Takita , Y. Tameda , H. Tanaka , K. Tanaka , M. Tanaka , Y. Tanoue , S.B. Thomas , G.B. Thomson , P. Tinyakov , I. Tkachev , H. Tokuno , T. Tomida , S. Troitsky , R. Tsuda , Y. Tsunesada , Y. Uchihori , S. Udo , T. Uehama , F. Urban , D. Warren , T. Wong , M. Yamamoto , K. Yamazaki , K. Yashiro , F. Yoshida , Y. Yoshioka , Y. Zhezher , Z. Zundel

1 IPHC - Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien
2 Université de Haute-Alsace (UHA) - Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar
3 CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
4 APC (UMR_7164) - AstroParticule et Cosmologie
5 LAM - Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
6 LPT - Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay [Orsay]
7 LPC - Laboratoire de Physique de Clermont
8 LIS - Laboratoire d'Informatique et des Systèmes (LIS) (Marseille, Toulon)
9 GEOAZUR 7329 - Géoazur
10 MIO - Institut méditerranéen d'océanologie
11 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
12 IUF - Institut universitaire de France
13 LPSC - Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
14 IJCLab - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
15 LPNHE (UMR_7585) - Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies

For several decades, the origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) has been an unsolved question of high-energy astrophysics. One approach for solving this puzzle is to correlate UHECRs with high-energy neutrinos, since neutrinos are a direct probe of hadronic interactions of cosmic rays and are not deflected by magnetic fields. In this paper, we present three different approaches for correlating the arrival directions of neutrinos with the arrival directions of UHECRs. The neutrino data are provided by the IceCube Neutrino Observatory and ANTARES, while the UHECR data with energies above ∼50 EeV are provided by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array. All experiments provide increased statistics and improved reconstructions with respect to our previous results reported in 2015. The first analysis uses a high-statistics neutrino sample optimized for point-source searches to search for excesses of neutrino clustering in the vicinity of UHECR directions. The second analysis searches for an excess of UHECRs in the direction of the highest-energy neutrinos. The third analysis searches for an excess of pairs of UHECRs and highest-energy neutrinos on different angular scales. None of the analyses have found a significant excess, and previously reported overfluctuations are reduced in significance. Based on these results, we further constrain the neutrino flux spatially correlated with UHECRs.

Mots clés: Neutrino astronomy; High energy astrophysics; Ultra-high-energy cosmic radiation; cosmic radiation: UHE; cosmic radiation: interaction; neutrino: flux; neutrino: UHE; observatory; Auger; magnetic field; statistics; ANTARES; correlation; IceCube

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

A. Albert, S. Alves, M. André, M. Anghinolfi, M. Ardid, et al.. Search for Spatial Correlations of Neutrinos with Ultra-high-energy Cosmic Rays. Astrophys.J., 2022, 934 (2), pp.164. ⟨10.3847/1538-4357/ac6def⟩. ⟨hal-03623273⟩